東大、半径80μmまで折り曲げても正確に測れる圧力センサーを開発

東京大学(東大)は1月26日、曲げても性質が変化しないフレキシブル圧力センサーの開発に成功したと発表した。

同成果は、同大大学院工学系研究科 染谷隆夫 教授、リー・ソンウォン 博士研究員、米ハーバード大学 ジーガン・スオ 教授らの研究グループによるもので、1月25日付けの英科学誌「Nature Nanotechnology」オンライン速報版に掲載された。

センサーは一般的に、測定対象に密着させることによって測定の精度を上げるため、生体のように柔らかくかつ常に運動しているものが測定対象の場合、センサーそのものも柔らかい素材で作ることが重要となっている。しかし、柔らかい素材でできたセンサーは、曲げたりよじれたりすると、変形に伴うひずみのためにセンサーの性質が大きく変化して、正確に計測できないという問題があった。

今回、同研究グループは、曲げても正確に測れる圧力センサーを実現した。同圧力センサーは、半径80μmまで折り曲げても圧力センサーとしての性質が変化せず、膨らませた風船のように柔らかい曲面上でも圧力の分布を正確に計測することができる。

圧力の変化は、抵抗の変化として読み出される。圧力を0から70Paまで増加させると、抵抗が100分の1まで小さくなり、また600パスカルまで増加させると、抵抗値が6桁以上小さくなる。同研究グループによると、これは世界最高の感度であるという。さらに、3000回以上圧力を繰り返し加えても、圧力センサーの性質は変化しない。

同センサー開発の決め手は、圧力を感知する素材にナノファイバーを利用しセンサーの厚みを薄くしたことであると同研究グループは説明している。センサーを構成する高分子基材の厚みは1.4μmで、基材を含む全体の厚みは3.4μmとなっている。

直径300～700nmのナノファイバーは、細くとがったノズルに高電圧をかけて液状の材料を噴き出させる「エレクトロスピニング法」という手法によって形成される。ナノファイバーの素材は、弾性を示すフッ素系の高分子材料の中に、カーボンナノチューブとグラフェンを添加して作製され、圧力をかけていないときにはナノファイバーが高抵抗で、わずかの圧力を加えると低抵抗になるように調整されている。

さらに同研究グループは、多点計測できるフレキシブル圧力センサーを作製。同センサーは、12×12の格子状に圧力センサーを並べたもので、有機トランジスタの集積回路を用い、アクティブマトリックス方式と呼ばれる手法で圧力の分布を計測する。実証実験として、膨らませた風船の表面に多点センサーシートを乗せて、2本の指で風船を押しつぶしたところ、多点センサーは風船の変形によるひずみの影響を受けずに、指で圧力をかけたところだけ正確に圧力の分布を計測することができたという。

量産化に向けて、ナノファイバー素材を均一に混ぜる手法が確立されていないという課題はあるが、今回、曲げても性質が変化しないフレキシブル圧力センサーを実現できたことで、風船だけでなくゴム手袋のように柔らかい曲面上でも精度な圧力の計測ができるようになり、たとえば、従来感覚に頼っていた乳がんのしこりの触診をセンサーで定量化するデジタル触診など、ヘルスケア、医療、福祉、スポーツなど多方面への応用が期待される。